繆 雨 張華偉

（云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，云南 昆明 650000）

0 前言

該文提出了一種基于數(shù)字信號處理器的能量反饋系統(tǒng)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在實際的運行過程中，往往可以有更高的系統(tǒng)運行能力，并避免了一些傳統(tǒng)系統(tǒng)中的問題，成了一種可靠性較高的系統(tǒng)。DSP控制器可以在使用過程中呈現(xiàn)出良好的效果，同樣有利于促進(jìn)設(shè)備的高效率運行，從而可以對各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性的處理以及運算，達(dá)到高效率、高精準(zhǔn)地處理數(shù)據(jù)的效果。此外，DSP控制器的應(yīng)用同樣有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化分類以及存儲，可以提升整體運行的安全性和穩(wěn)定性，是一種滿足當(dāng)下能量反饋系統(tǒng)的重要機械設(shè)備，在實際運行中，也解決了傳統(tǒng)形式所存在的很多問題。

1 DSP控制器

1.1 技術(shù)概念

DSP又稱數(shù)字信號處理技術(shù)，是指通過數(shù)學(xué)計算的方式從數(shù)字信號中提取相應(yīng)信息的數(shù)字信號微處理器。該控制器的運行技術(shù)原理可以被描述為借助哈佛結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、程序的并行存儲，結(jié)合運用流水線技術(shù)實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)和密集的信號處理、緩解中斷問題以及并運行數(shù)字濾波、譜分析和卷積等功能。從整體上來看，DSP的CPU有3個主要組成部分，乘單元、輸入定標(biāo)單元和中央算數(shù)邏輯單元。 首先，對差異性進(jìn)行分析，由于DSP中安裝了硬件乘法器（乘法器在單片機中并不存在）；因此，DSP存儲器的容量比單片機更大。其次，DSP控制器同樣對自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，使其成了哈佛結(jié)構(gòu)。因此，在運行的過程中，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和程序的同步存儲，其中設(shè)備制造使用的是流水線加工工藝。最后，DSP是一種運算密集型且以高效運算為目的一種處理器；單片機則是一種事務(wù)型的處理器，僅可以處理一些簡單的事務(wù)。 該文所使用的DSP控制器，其中央處理單元采用的是并行的體系結(jié)構(gòu)類型。因此，在CPU運行中，可以很好地在單指令周期中進(jìn)行高效率的算術(shù)運算。同時，這也是一種包括3個基本組成部分在內(nèi)的設(shè)計方式。

1.2 技術(shù)特征

DSP就是一種數(shù)字信號處理技術(shù)，其設(shè)計出的DSP芯片，則是一種可以實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)的相關(guān)硬件。DSP芯片的內(nèi)部采用的是程序與數(shù)據(jù)分離的設(shè)計方式，形成所謂的哈佛結(jié)構(gòu)。在運行的工程中，有專門的硬件乘法器，同時較為廣泛地使用流水線的操作形式，并提供特殊的DSP指令，進(jìn)而對不同的數(shù)字信號進(jìn)行有針對性的處理。

在實際的處理過程中，DSP芯片往往有特殊的技術(shù)特征。首先，在一個指令周期內(nèi)，可以實現(xiàn)對乘法和加法的計算。在程序與數(shù)據(jù)空間中，呈現(xiàn)出分開的效果，因此可以同時對指令與數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。其次，在芯片中有快速RAM的方式，因此可以利用獨立的數(shù)據(jù)總線，同時對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。這樣的控制器也有低開銷或者無開銷循環(huán)跳轉(zhuǎn)的硬件支持。在實際的運行過程中，可以在單周期中操作多個硬件地址產(chǎn)生器，因此呈現(xiàn)出同時對多個業(yè)務(wù)進(jìn)行處理的效果，是一種支持流水線操作，同時進(jìn)行針對性優(yōu)化處理的技術(shù)類型。

2 能量反饋系統(tǒng)

能量反饋系統(tǒng)本質(zhì)上屬于一種獨立交直流設(shè)備，在運行過程中，可實現(xiàn)對輸出電能的反饋，是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。能量反饋系統(tǒng)主要由3個部分組成，分別是用電設(shè)備、能量反饋系統(tǒng)以及城市電網(wǎng)系統(tǒng)。

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要控制輸出電流，確保其可以與城市電網(wǎng)系統(tǒng)的電力頻率、相位保持一致。在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，可添加同步鎖相功能，由控制部分負(fù)責(zé)對該功能的發(fā)揮進(jìn)行控制。

在該系統(tǒng)的設(shè)計中，能量反饋系統(tǒng)的控制部分主要由DSP控制器組成，通過該控制器可以很好地保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效率的運行。逆變器的電路圖如圖1所示。

圖1 逆變器電路圖

由圖1可知，一旦在輸入單極性的正脈沖對脈沖寬度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制，便會導(dǎo)致在其輸入兩路的相位處出現(xiàn)一定程度的反方向方波，同時也在其他位置輸出雙極性的SPWM波形。經(jīng)過過濾之后，可以得到相應(yīng)的正弦波。由于對不同端口之間所形成的波形都進(jìn)行了一定的處理，因此可以避免在運行的過程中出現(xiàn)同步導(dǎo)通的現(xiàn)象。一旦在VT1管以及VT3管輸入單極性信號，就會出現(xiàn)正弦脈沖的調(diào)制波。在VT2管以及VT4管輸入兩路相位反向的波形，就會在VOUT位置出現(xiàn)一定的雙極性的SPWM波。并且，在經(jīng)過濾波之后，就可以得到正弦波。在圖1所示的一些區(qū)域中，每一個半周期的波形就設(shè)置了0.8 m的死區(qū)，本質(zhì)上就是為了可以很好地避免VT2管與VT4管出現(xiàn)一定的同時導(dǎo)通問題，這樣會對系統(tǒng)造成不良的影響。

在使用DSP控制器時，往往需要使用3路信號，分別是1路單極性帶死區(qū)下的SPWM波以及2路相位相反的在帶死區(qū)所出現(xiàn)的方波信號。因此，對于該信號的處理，需要時刻與城市電網(wǎng)保持一致性，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，需要在控制器中保持城市電網(wǎng)的信號輸入。

3 DSP在能量反饋系統(tǒng)全數(shù)字化控制中的應(yīng)用

該文所使用的DSP控制器屬于關(guān)鍵設(shè)備，它可以在運行的過程中實現(xiàn)對內(nèi)外資源的合理調(diào)配。在控制器中，管理器模塊設(shè)置的目的主要是對運動進(jìn)行控制，也相應(yīng)地發(fā)揮了對電機的控制作用。在整個系統(tǒng)中，需要在EV模塊內(nèi)加入通用定時器、PWM發(fā)生器以及捕獲器這3個不同的邏輯系統(tǒng)。另外，在這3個控制方案的運行中，基本上需要基于3個不同的步驟進(jìn)行運行，首先需要產(chǎn)生SPWM波，其次再采集城市電網(wǎng)頻率，這樣就可以實現(xiàn)同步鎖相。

3.1 SPWM的產(chǎn)生

在正弦波與三角波進(jìn)行比較之后產(chǎn)生SPWM波，通常情況下，SPWM的寬度與正弦波的幅值成正比。對于該類型的方波濾波電路來說，有關(guān)人員可以將其還原成原本的正弦波。

目前，DSP控制器能夠達(dá)到16路的PWM輸出、16 bit的最大PWM分辨率，而且其所產(chǎn)生的SPWM更加靈活，能夠提升控制器的應(yīng)用效果。首先，在使用的DSP控制器中，有關(guān)人員可以安裝通用定時器，上述設(shè)備在運行中可以進(jìn)行計數(shù)，有關(guān)人員可以根據(jù)自身需求對設(shè)備的這一性能進(jìn)行利用。其次，還需要在正弦波的計算過程中，對不同比較點的幅值進(jìn)行提取，并將數(shù)據(jù)送到定時器中進(jìn)行相應(yīng)的比較分析。當(dāng)定時器中的計算值與比較及儲存器中的數(shù)值一致時，就可以馬上進(jìn)行匹對。再次，定時器在繼續(xù)計數(shù)的過程中，需要對周期進(jìn)行配對，一直到三角載波周期完成后，才可以停止配對。

但是，當(dāng)需要對其三角載波的頻率進(jìn)行改變或者對其比較值進(jìn)行改變時，就需要對其周期寄存器進(jìn)行調(diào)整，確保可以對其引腳進(jìn)行分析，進(jìn)而可以輸出寬度不同的SPWM波。在該處理過程中，其三角載波與正弦波并沒有真正出現(xiàn)，而是以抽象的形式出現(xiàn)。

在設(shè)計該軟件的過程中，為了可以很好地進(jìn)行分頻處理，要對其三角載波進(jìn)行相應(yīng)的頻率假定。在分析過程中，首先需要對三角波與半個周期的正弦波進(jìn)行相交分析，這樣就可以對定時器的周期寄存器進(jìn)行相應(yīng)的載波評估。其次，還需要保證在對其計算分析的過程中，可以很好地將其做成表格。在系統(tǒng)的設(shè)計要求上，其城市電網(wǎng)的跟蹤精度約為0.1 Hz，對SPWM波的死區(qū)進(jìn)行分析后，便可以很好地實現(xiàn)延時程序[1]。

3.2 捕獲城市電網(wǎng)的頻率

為了可以很好地滿足電網(wǎng)的運行效果，就需要在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的捕獲器，同時需要對捕獲器輸入引腳的電平的變化進(jìn)行分析，同時對發(fā)生變化的方面進(jìn)行時間記錄分析。在該文的系統(tǒng)設(shè)計中，由于其城市電網(wǎng)的220 V為正弦波，因此在捕獲的過程中需要對其進(jìn)行降壓處理，同時經(jīng)過過零檢測之后，可以去頂幅值，對系統(tǒng)中的DSP控制器進(jìn)行捕獲。在系統(tǒng)每一個DSP芯片中，都存在2個EV模塊，在每一個模塊中有4、5個不同的捕獲器。在該設(shè)備的運行過程中，捕獲方波將呈上升的狀態(tài)。其捕獲上升沿的出現(xiàn)，是為了很好地確定當(dāng)下城市電網(wǎng)的具體頻率。因此，對2次捕獲的實際差值進(jìn)行計算之后，所獲得的結(jié)果便為城市電網(wǎng)的具體頻率。另外，捕獲波同樣會呈現(xiàn)下降的狀態(tài)，上述狀態(tài)主要出現(xiàn)在SPWM波的后半周期。在該周期設(shè)計中，就可以很好地完成捕獲任務(wù)。

在編程過程中，還需要充分考慮到城市電網(wǎng)的供電需求。因此，在基于頻率順序的捕獲標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)計中，就需要制定一個標(biāo)準(zhǔn)的范圍表。另外，在CAP4的捕獲環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)了中斷的問題，就會導(dǎo)致其三角載波的周期值出現(xiàn)一定程度的變化，這樣就可以確定當(dāng)下的三角載波的周期值。之后，再利用其在調(diào)用過程中所發(fā)生的SPWM波的子程序，就可以產(chǎn)生半個周期的SPWM波[2]。

3.3 同步鎖相

鎖相處理的過程是該系統(tǒng)十分重要的環(huán)節(jié)，在處理時，需要在程序中安裝一個輔助寄存器，起到對SPWM波響應(yīng)進(jìn)行計數(shù)的作用。另外，在下降沿的過程出現(xiàn)中斷之后，就需要保證其SPWM波會與城市電網(wǎng)的相位出現(xiàn)較大的差值。因此，就需要對性地對其進(jìn)行針鎖相調(diào)整。該處理就是一種基于完整的半周期中的SPWM波，往往需要在其半周期中選擇256個點進(jìn)行比較分析。在上升沿的過程中，一旦出現(xiàn)中斷問題，就需要加強比較分析，在下降沿出現(xiàn)中斷情況之后，需要對三角載波的頻率鎖相進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過這樣的處理，就可以很好地將SPWM波與城市電網(wǎng)保持較高的同步性。

在進(jìn)行計算分析調(diào)整之后，就可以得到相關(guān)的定時器周期公式。同時需要注意的是，在進(jìn)行計算分析的過程中，隨著DSP中開始對負(fù)數(shù)進(jìn)行計算，就會導(dǎo)致在其內(nèi)部呈現(xiàn)出一定的問題。因此，在計算中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析與控制。最后，在使用了SPWM波子程序后，就可以合理地對其載波進(jìn)行調(diào)整[3]。

另外，對于該文所采用的DSP控制器，還需要在輸出2路相位相反的方波信號上，對2路方波的信號進(jìn)行控制?？刂菩盘栔?，還需要充分保障2路方波與SPWM波能夠相互結(jié)合，實現(xiàn)對城市電網(wǎng)的跟蹤以及功能監(jiān)控。另外，該處理方式的基本原理往往與SPWM相同[4]。而不同的地方在于這是一種使用定時器的方式，因此僅使用1個寄存器即可?；谝陨夏芰糠答佅到y(tǒng)，有關(guān)領(lǐng)域便可實現(xiàn)對DSP的優(yōu)化設(shè)計以及對其城市電網(wǎng)的同步鎖相，從而實現(xiàn)同步控制的效果。另外，在控制功能的設(shè)計中，往往需要針對性地對一片DSP芯片進(jìn)行設(shè)計，但是并不需要安裝外圍設(shè)備，這樣的控制電路下，可以很好地發(fā)揮出控制功能，同時并不需要占據(jù)交到的設(shè)備面積，另外在控制的過程中，也不會進(jìn)行復(fù)雜地控制，同時不會受到外界環(huán)境的影響。

4 控制電路與同步電路設(shè)計

對于同步電路的設(shè)計來說，這就是一種很好地實現(xiàn)有源逆變的基礎(chǔ)，同時也是在捕獲電網(wǎng)線電壓過零頭之后，可以很好地確定電網(wǎng)實際相位信息的關(guān)鍵步驟。因此，在設(shè)計過程中，需要基于變壓器的方式對其電網(wǎng)線進(jìn)行針對性的隔離取樣，同時還要對電路進(jìn)行有針對性的調(diào)理。之后，利用DSP控制器進(jìn)行相應(yīng)的方波信號處理[6]。在這樣的系統(tǒng)設(shè)計下，就可以很好地確定當(dāng)下城市電網(wǎng)的實際相位信息。而對于有源逆變輸出的重要參考，往往需要程序?qū)ζ溥M(jìn)行合理處理。同時，在一些有源逆變輸出的參考過程中，需要基于程序處理的方式，對其電流進(jìn)行相應(yīng)的合理控制。另外，還需要保證在控制過程中可以很好地對其有源逆變起動以及輸出進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對輸出和電網(wǎng)的同步處理[7]。

5 仿真試驗分析

5.1 分析流程

為了保證該文設(shè)計的系統(tǒng)能夠更加合理，就需要對仿真方面進(jìn)行計算分析。該仿真試驗的原理為通過模擬DSP控制器能量反饋系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境來測試上述應(yīng)用設(shè)計方案是否能夠滿足能量反饋系統(tǒng)的運行需求。在仿真試驗過程中，研究者針對能量反饋系統(tǒng)的特征，對其仿真的參數(shù)進(jìn)行合理化的調(diào)整，其電感控制在6 mH，直流母線電壓控制在650 V；而在輸入交流相電壓方面，則將控制器開關(guān)的電壓保持在5 kHz的標(biāo)準(zhǔn)上，以保證仿真試驗的效果。經(jīng)過仿真分析之后可以發(fā)現(xiàn)，其仿真與實驗波形都可見。另外，該文所設(shè)計的能量反饋系統(tǒng)，也是一種基于電網(wǎng)實時反饋邏輯下的電流回饋，在實際的運行中，主要是利用DSP控制器中的事件管理器，并通過高速A/D轉(zhuǎn)換器等內(nèi)部設(shè)計，對其進(jìn)行有針對性的設(shè)計，以此保障系統(tǒng)在實際的運行中有較為可靠的運行效率；另外，在一些設(shè)計過程中，其系統(tǒng)的邏輯性較為清晰合理，因此整個系統(tǒng)的控制性較為靈活，最大程度地保證了系統(tǒng)的運行效果。

在未來的系統(tǒng)運行中，可以很好地擴寬變頻器的應(yīng)用范圍。因此，該系統(tǒng)有較高的運行邏輯效果。但是需要注意的是，該系統(tǒng)還存在一定的缺陷，需要在未來的設(shè)計中進(jìn)行進(jìn)一步的完善處理[8]。

5.2 分析結(jié)果

在對該能量反饋系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，對其編程進(jìn)行合理設(shè)置，同時讓其硬件電路在使用的過程中基于單一的DSP最小系統(tǒng)，并不進(jìn)行額外多余的外圍電路設(shè)計。因此，該系統(tǒng)在設(shè)計運行中，已經(jīng)得到了相關(guān)部門的檢驗，可以很好地進(jìn)行使用。在對其長期的使用調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，表示該類型的控制器在實際的操作過程中，可以很好地對47 Hz～52 Hz的城市電網(wǎng)進(jìn)行追蹤，同時將追蹤的設(shè)計精度控制在 0.1 Hz 。另外，該系統(tǒng)在運行的過程中，可以很好地實現(xiàn)對其過量程的處理，因此在城市電網(wǎng)超出實際范圍的時候，該系統(tǒng)還是處于待機的狀態(tài)。只有再次處于該階段，才可以重新啟動進(jìn)行運轉(zhuǎn)。這樣的能量反饋系統(tǒng)可以很好地對其城市電網(wǎng)實現(xiàn)同步鎖相的控制效果。另外，在諸多的操作模式下，僅僅依靠單一的芯片就可以完成相關(guān)工作，并不需要設(shè)計額外的設(shè)備，就可以使該系統(tǒng)具有較高的使用價值和經(jīng)濟性。但是，在未來的研究中，還需要對該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化。

6 結(jié)語

綜上所述，該文所提出的DSP控制器在能量反饋系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，由于設(shè)計的合理性，因此可以很好地接入城市電網(wǎng)，以此保障能量反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，呈現(xiàn)出良好的節(jié)能降耗的效果，滿足系統(tǒng)的使用需求。